北京市门头沟区高边坡预应力锚索格构梁体系的力学特性及设计优化

陈默，沈宇鹏，赵久欢，毛凌峰，何永贵

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京100098;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044; 3.轨道工程北京市重点实验室，北京100044)

北京市门头沟区高边坡预应力锚索格构梁体系的力学特性及设计优化

陈默1，沈宇鹏2，3，赵久欢2，毛凌峰2，何永贵2

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京100098;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044; 3.轨道工程北京市重点实验室，北京100044)

研究了预应力锚索格构挡墙的加固机理，并结合北京市门头沟区一高边坡工程，采用现场测试、数值分析等手段，分析了此类支护结构的受力机理和墙背土压力特征，最后通过正交分析，以边坡安全系数为控制指标，提出了该类支护结构的优化设计参数。研究结论:预应力锚索格构挡墙通过锚索将下滑力传递给深层稳定的岩土层中，形成一种边坡主动抗滑体系，由于锚索作用，墙后竖向土压力沿墙高应力重分布，出现多个应力峰值，水平土压力在墙高5 m处最大，而非墙底端，并且沿墙高方向呈连续波浪形分布;正交模型试验得出抗滑桩长度、锚索预应力、锚固段长度是影响支护效果最主要的因素。

预应力锚索格构梁 抗滑桩 土压力 支护机理 正交优化

预应力锚索格构梁支护体系已在公路与铁路工程中广泛应用，但工民建中应用较少，且在北京地区几乎没有尝试。北京市门头沟区政府营建大量安置房，以改造棚户区，其中有一部分边坡位于原产煤区附近的山坡上。为确保坡上和坡下安置房的安全，采用了预应力锚索格构梁体系加固边坡。

目前的预应力锚索支护设计，大多还是采用技术成本低、容易管理的工程类比方法［1-3］。因此，工程界中使用的锚固支护一般可能存在两种相反的问题:第一种，在稳定性较好的岩土体中，锚索使用过于保守;第二种，在稳定性较差的岩土体中，锚索的安全储备不足［4］。本文旨在通过现场试验和理论分析两方面，研究该类新型支挡结构受力特征和支护机理以及结构优化设计。

1 工程概况

北京市门头沟区采空棚户区改造石泉砖厂定向安置房项目边坡工程，边坡设计坡高14.3～18.5 m。通过经济性和安全性比选，选取预应力锚索格构梁体系为加固边坡方法。坡度约30°～60°，拟支护边坡长度231.9 m，边坡工程安全等级为一级。试验段地层条件见表1，填方坡段压实填土的参数可按表2选取。

表1 岩土参数建议值

2 边坡支护数值模拟

本文利用有限元软件MIDAS/GTS分析计算，简化模型:边坡长120 m，宽4.5 m，高49.3 m，格构梁高为15.3 m，下部现浇抗滑桩的长度为5 m。宽度方向取一个“井”字格构，两边横梁向外悬臂1.25 m，旨在模拟挡墙后土压力“中—中”荷载传递方式。挡土板厚度0.2 m，格构横竖梁宽度均为0.5 m，抗滑桩的直径为1 m。锚索的打入角为10°，6根锚索锚固段长度17 m，自由段长度7 m。模型示意见图1。

表2 压实填土计算参数取值

图1 预应力锚索格构梁边坡模拟

2.1 锚索的模拟

预应力锚索格构梁边坡支护体系数值模拟的难点在于锚索锚固段界面接触单元的模拟。鉴于预应力锚索单元自由段和锚固段受力机理不同，采用不同单元类型模拟。自由段使用植入式桁架单元模拟，这样既能表现自由段的传力功能，还方便了GTS施加预应力;锚固段由于自身的受力特点和机理，需要考虑其与周围土体的三维接触，所以，采用直线梁单元模拟锚固段，桩单元模拟锚固段与周围土的三维接触面上的剪切力。

2.2 预应力的施加

对于预应力的加载方式，本文采用MIDAS/GTS中直接定义的预应力方法加载。此外，还有两种加载方式:①为了模拟和简化锚索外锚头的作用，在岩土体外锚头表面作用分布力，分布力作用在外锚头与格构梁交点1 m的范围内，锚固段作用在与自由段的交界点则简化为与分布力总和值相等的集中力［5］;②采用岩土体网格距离和锚索长度相等且方向与锚索倾斜方向一致的两个节点，作用一对相向的集中力［6］。

2.3 施工工况定义

简化后模型定义施工阶段如下:初始地基分析→清理边坡→建立抗滑桩→建立格构横竖梁→建立挡土板→1层锚索张拉和回填覆土→2层锚索张拉和回填覆土→3层锚索张拉和回填覆土→4层锚索张拉和回填覆土→5层锚索张拉和回填覆土→6层锚索张拉和回填覆土→回填土→施加建筑荷载。

3 边坡支护数值模拟与现场试验验证

3.1 现场试验与数值模拟墙后填土压力

为了更好地认识预应力锚索格构挡墙后水平土压力的特点，选出锚索5，6层施工过程和建筑荷载作用进行现场测试和数值模拟的比较(图2)。图中挡墙后填土的负方向表明填土受压。可以看出现场试验实测的土压力值和数值模拟在线型和数值上存在一定差异，这是因为现场土层参数和施工工况远比数值模拟复杂，但是，数值模拟还是基本反映了墙后水平土压力的大小分布特点。图2中还反映了一个特点，数值模拟出来的水平土压力要大于现场测试到的土压力，这说明实际工程比数值模拟的安全性更高。

图2 水平土压力的实测和数值模拟结果比较

现场测试和数值模拟两种水平土压力线型差异主要在墙高5 m处，数值模拟出现了一个剧增的峰值。而边坡支护结构施工结束后，在堆载的基础上再作用建筑荷载时数值模拟结果和现场测试更加接近，这是因为填土的密实，使得现场测试条件更加接近数值模拟的理想状况。

图3为锚索5，6施工工况以及建筑荷载工况下墙后竖向土压力的现场测试和数值模拟结果比较。现场试验测出的竖向土压力值和数值模拟在线型和数值上有一定差异，但两种方法得到竖向土压力的分布规律一致。现场试验获得的数据部分竖向土压力和数值模拟吻合得很好。

图3 竖向土压力的实测和数值模拟结果比较

由图3可见，数值模拟的竖向土压力也大于现场测试值，这说明现场边坡的稳定性更好。其中在锚索5，6施工工况的情况下，格构挡墙底部的竖向应力最大，而支护结构施工结束后，数值模拟和现场试验都表明竖向应力在墙高范围内应力重分配出现几个峰值，这是格构梁支护机理的体现。

3.2 倾斜式和竖直式预应力锚索格构梁支护的比较

为了研究倾斜和直立式预应力锚索格构梁挡墙的受力和变形特点，分别建立倾斜角度为70°和80°预应力格构边坡模型(土层条件、锚索参数、网格划分原则等和直立式一致)。通过比较倾斜式和直立式边坡形式的不同，分析挡墙后土体的土压力、位移变化规律、格构梁受力情况变化规律。本文研究预应力锚索格构梁挡墙完工后建筑荷载作用下土压力特点。

比较倾斜角度为70°和80°锚索的轴力图(本文略去)，相比于倾斜角度为80°时，倾斜角度为70°的锚索拉力较大，说明锚索锚固更加紧密。70°时，锚索锚固段提供的轴力也较大，说明锚索锚固段受到的接触面摩擦力更加合理。

图4是预应力锚索格构梁施工完成后，不同倾斜度支护的水平位移随着墙高的变化情况。倾斜式支护时，格构竖梁的水平位移要远大于直立式，这种负方向的位移是良性的位移，位移越大说明倾斜边坡支护方式预应力锚索拉紧效果越好。直立式在挡墙中部出现13 mm的正向位移，这种正向位移是水平向土压力释放的方式。正向位移过大会导致预应力锚索格构梁支护体系失效，应该将其控制在一定范围内。

此外，图4还反应了一个特点，即格构梁沿墙高的水平位移呈一定的锯齿状，因为锚索作用处的负向位移较大，锚索间隔之间的土层作用时，负向位移减小。但采用竖直的格构梁支护形式时，这种现象不明显。

图4 不同倾斜度支护的水平位移沿墙高的分布

图5 格构梁弯矩沿墙高的分布

提取格构梁随墙高的弯矩作图5，直立式格构梁在梁高4～13 m之间出现了外部受拉的情况(正向为挡墙内部填土方向)，在墙底弯矩较大，内部受拉。倾斜度为70°和80°的格构梁两种支护形式受到的负弯矩大于直立式，格构梁内部受拉。所以设计时应注意直立和倾斜两种形式的差别较大，直立式满足正反两个方面的抗弯要求，而倾斜式则更加注重格构梁内侧受拉的抗弯能力。

图6为不同倾斜度边坡支护形式下，挡墙后土层的水平土压力分布特点。水平应力的方向是负向，说明此处土体单元受到水平向力是墙面板的压密作用。其中:格构梁高度＞2.5 m时，直立式格构挡墙后土体受到的水平应力要大于倾斜式挡墙后土体的水平土压力;格构梁高度＜2.5 m时，倾斜70°格构梁墙后的水平土压力要大于直立式墙后水平土压力。

图6 水平土压力沿墙高的分布

4 设计参数优化研究

以北京市门头沟区实际边坡工程条件，通过建立L32(49)的正交表［7-8］，对锚索预应力值、锚索的截面积、锚固段长度、锚索打入角度、格构梁长宽、抗滑桩长度、抗滑桩尺寸、混凝土类型这9种优化因子的各自4种水平进行优化，以强度折减法SRM计算的边坡安全系数作为指标，选出最佳组合。正交表的因子和水平如表3，控制指标平均值及正交优化最佳组合分别见表4及表5。

表3 模型建立

表4 9种因素的控制指标平均值

表5 正交优化最佳组合

由于锚索的锚头在格构横梁和竖梁的交汇处，如果采用正方形格构，格构梁间距和锚索间距这两个因子合并为一个因子。从安全系数出发，确实能够找到一个安全系数适合的格构间距，这是因为锚索间距和格构间距较小时，会产生群锚效应和格构梁之间的应力叠加导致安全系数降低;锚索间距较大时，预应力锚索格构梁的加固效应也会由于锚固力不足而减小。通过比较不同锚索间距的边坡安全系数曲线(图7)，发现在格构锚索的间距为3 m时，边坡的安全系数最大。

图7 锚索间距与安全系数的关系

5 主要结论

1)对于墙后水平向和竖向土压力，数值模拟和现场实测的结果存在一定差异，但是大体上的分布特点一致;格构竖梁在5～14 m这一段属预留强度贮备，是预应力索的重点锚固段。

2)预应力锚索格构挡墙的加固机理为预应力锚索和格构梁复合使用，通过锚索将下滑力传递给深层稳定的岩土层中加固，形成一种有效的边坡主动抗滑体系。表现为:由于锚索作用，墙后竖向土压力沿墙高应力重分布，出现多个应力峰值，水平土压力在墙高5 m处最大，而非墙底端，并且沿墙高方向呈连续波浪形分布。

3)正交模型试验得出抗滑桩长度、锚索预应力、锚固段长度是影响支护效果最主要的因素。

4)本工程预应力锚索格构挡墙的最优化参数组合:锚固段长度13 m、直径0.2 m，锚索选择4φs15.2组合，预应力为500 kN;格构梁选用C30混凝土，截面形式0.4 m×0.4 m，抗滑桩的长度和直径分别为5 m和0.8 m;锚索和格构间距均为3 m。

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Mechanical characteristics of prestressed anchorage cable-lattice system used for high slope at Beijing Mentougou district and its design optimization

CHEN Mo1，SHEN Yupeng2，3，ZHAO Jiuhuan2，MAO Lingfeng2，HE Yonggui2
(1.AVIC Geotechnical Engineering Institute Co.，Ltd.，Beijing 100098，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;3.Beijing Key Laboratory of Track Engineering，Beijing 100044，China)

Combing with high slope engineering inBeijing M entougou，the paper studiedthe reinforcement mechanism of prestressed anchorage cable-lattice retaining wall，analyzed the stress mechanism and wall back soil pressure characteristics for this kind of supporting structure by field test and numerical analysis，and put forward the optimization design parameters by taking slope safety coefficient as the control index through orthogonal analysis. T he conclusion showed that prestressed anchorage cable-lattice retaining wall transfers the sliding force to deep and stable soil by the anchorage cable，which forms a kind of active slope anti-slide system，vertical soil pressure of wall back distributes along the wall by anchorage cable effect and there are several peak values of stress，horizontal soil pressure is maximal at 5 m height of the wall instead of at the bottom of wall and shows a continuous wave shape distribution along the wall，and the anti-slide pile length，anchorage cable prestress and anchoring section length are the main factors influencing the supporting effect by orthogonal experiment results.

Prestressedanchorage cable-lattice system;Anti-slide pile;Soil pressure;Supportingmechanism; Orthogonal optimization

TU452

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.27

1003-1995(2015)05-0108-05

(责任审编孟庆伶)

2014-10-20;

2015-02-25

国家自然科学基金项目(41271072);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011JBZ009)

陈默(1977—)，男，陕西宝鸡人，高级工程师。